Name: fabricating superhydrophobic polymeric materials for biomedical applications
Uploaded: 2015-08-28T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications at JoVE.com

Funding was provided in part by BU and the NIH R01CA149561. The authors wish to thank the electrospinning/electrospraying team including Stefan Yohe, Eric Falde, Joseph Hersey, and Julia Wang for their helpful discussions and contributions to the preparation and characterization of superhydrophobic biomaterials.

1. Synthesizing Functionalizable poly (1,3- glycerol carbonaat- co-caprolacton) 29 en de poly (1,3- glycerol carbonaat- co -lactide) 27,28. <ol><li> Monomeer synthese. <ol><li> Los cis-2-fenyl-1,3-dioxaan-5-ol (50 g, 0,28 mol, 1 eq.) In 500 ml droog tetrahydrofuran (THF) en roeren op ijs onder stikstof. Voeg kaliumhydroxide (33,5 g, 0,84 mol, 3 eq.), Fijngemalen met een vijzel en stamper. Plaats de kolf in een ijsbad. </li><li> Voeg 49,6 ml benzylbromide (71,32 g, 0,42 ...

Onze benadering van het construeren superhydrophobic materiaal van biomedische polymeren combineert synthetische polymeerchemie met het polymeer verwerkingstechnieken van elektrospinnen en electrospraying. Deze technieken bieden ofwel vezels of deeltjes, resp. Concreet zijn polycaprolacton en poly (lactide- co -glycolide) gebaseerd superhydrophobic materialen bereid met behulp van deze strategie. Door het variëren van de hydrofobe polymeer samenstelling procent copolymeer in het eindpolymeermengsel, vezel / de...

Superhydrophobic oppervlakken zijn over het algemeen gecategoriseerd als vertonen duidelijk water contact hoeken groter dan 150 ° met een lage contact hoek hysteresis. Deze oppervlakken zijn vervaardigd door de invoering van hoge oppervlakteruwheid op lage oppervlakte-energie materialen om een resulterende lucht-vloeistof-vaste stof interface die weerstaat bevochtiging 1-6 vast te stellen. Afhankelijk van de fabricagemethode, dun of meerlaagse superhydrofobe oppervlakken meerlagige superhydrophobic substraatbekledingen, of zelfs bulk superhydrophobic structuren worden bereid. Deze permanente of semi-permanente waterafstotendheid is een handige eigenschap die wordt gebruikt om zelfreinigende oppervlakken 7, microfluïdische apparaten 8, anti-fouling cel / eiwitoppervlakken 9,10, drag-reducerende oppervlakken 11 en drug delivery apparaten bereiden 12- 15. Recentelijk zijn stimuli-responsieve superhydrophobic materiaal beschreven waarbij de niet-bevochtigd bevochtigde toestand wordt veroorzaakt door chemische, fysischeOf omgevingsfactoren (bv licht, pH, temperatuur, echografie, en toegepaste elektrische potentiaal / stroom) 14,16-20, en deze materialen vinden gebruik voor andere toepassingen 21-25. De eerste synthetische superhydrofobe oppervlakken werden bereid door behandeling materiaaloppervlakken met methyldihalogenosilanes 26 en waren beperkt bruikbaar voor biomedische toepassingen, zoals de gebruikte materialen niet geschikt voor in vivo gebruik. Hierin beschrijven we de bereiding van oppervlak en bulk superhydrofobe materialen uit biocompatibele polymeren. Onze benadering bevat electrospinning of Electrospraying een polymeer mengsel dat een biologisch afbreekbare, biologisch verenigbare alifatische polyester als hoofdcomponent, gedoteerd met een hydrofoob copolymeer bestaande uit polyester en een stearaat-gemodificeerde poly (glycerol carbonaat) 27-30. De vervaardigingstechnieken over een verhoogde oppervlakteruwheid en de porositeit en zich binnen de fibers of deeltjes, respectievelijk, terwijl het gebruik van een copolymeer doteermiddel verschaft een lage oppervlakte energie polymeer dat past bij het ​​polyester en stabiel kan worden electrospun of electrospray 27,31,32. Alifatische bioafbreekbare polyesters zoals poly (melkzuur) (PLA), poly (glycolzuur) (PGA), poly (melkzuur zuur co -glycolic acid) (PLGA) en polycaprolacton (PCL) polymeren toegepast in klinisch goedgekeurde apparaten en prominent in biomedisch materiaalonderzoek vanwege hun niet-toxiciteit, biologische afbreekbaarheid, en het gemak van de synthese 33. PGA en PLGA debuteerde in de kliniek als biologisch resorbeerbare hechtingen in 1960 en begin 1970, respectievelijk 34-37. Sindsdien hebben deze poly (hydroxyzuren) verwerkt tot een verscheidenheid van andere toepassingsspecifieke vormfactoren, zoals micro- en nanodeeltjes 40,41 38,39, wafers / discs 42, mazen 27,43, 44 schuimen en films 45 </sup&gt;. Alifatische polyesters, evenals andere polymeren van biomedisch belang, kan worden electrospun op nano- of microfiber maasstructuren bezit een hoge oppervlaktegebied en de poreusheid en treksterkte. Tabel 1 vermeldt de synthetische polymeren electrospun voor diverse biomedische toepassingen en hun overeenkomstige gevonden. Electrospinning en electrospraying zijn snelle en commercieel-schaalbare technieken. Deze twee soortgelijke betekenis berust op het toepassen van hoogspanning (elektrostatische afstoting) op oppervlaktespanning van een polymeeroplossing overwinnen / smelten in een opstelling spuitpomp wanneer het is gericht naar een geaarde doelwit 46,47. Wanneer deze techniek wordt gebruikt in combinatie met lage oppervlakte energie polymeren (hydrofobe polymeren zoals poly (caprolactone- co-glycerol monostearaat)), de resulterende materialen vertonen superhydrophobicity. Om deze algemene synthetische en materialen verwerken aanpak illustrerenhet construeren superhydrophobic materiaal van biomedische polymeren beschrijven we de synthese van superhydrofobe polycaprolactone- en poly (lactide- co -glycolide) gebaseerde materialen als representatieve voorbeelden. De respectievelijke copolymeer doteerstoffen poly (caprolactone- co-glycerol monostearaat) en poly (lactide- co-glycerol monostearaat) eerst gesynthetiseerd en vervolgens gemengd met polycaprolacton en poly (lactide- co -glycolide), respectievelijk, en tenslotte electrospun of electrospray. De resulterende materialen worden gekenmerkt door SEM beeldvorming en contacthoek goniometrie, en getest op in vitro en in vivo biologische verenigbaarheid. Tenslotte wordt bulk bevochtiging door middel van driedimensionale superhydrophobic mazen onderzocht met behulp van contrast-versterkte Microcomputed tomografie.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Silicone oil</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>85409</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cis-2-Phenyl-1,3-dioxan-5-ol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">13468</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benzyl bromide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>B17905</td>
			<td>Toxic, lacrymator/eye irritant, use in chemical fume hood</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">221473</td>
			<td>Corrosive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary evaporator</td>
			<td>Buchi</td>
			<td>R-124</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-vacuum pump</td>
			<td>Welch</td>
			<td align="right">8907</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen, ultra high purity</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>NI UHP300</td>
			<td>Compressed gas</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrahydrofuran, stabilized with BHT</td>
			<td>Pharmaco-Aaper</td>
			<td align="right">346000</td>
			<td>Flammable. Dried through column of XXX</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichloromethane</td>
			<td>Pharmaco-Aaper</td>
			<td align="right">313000</td>
			<td>Flammable, toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Separatory funnel (1 L)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>13-678-606</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium sulfate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">239313</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol, absolute</td>
			<td>Pharmaco-Aaper</td>
			<td>111USP200</td>
			<td>Flammable, toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buchner funnel</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>FB-966-F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Pharmaco-Aaper</td>
			<td>339000ACS</td>
			<td>Flammable, toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">320331</td>
			<td>Corrosive. Diluted to 2N in distilled water.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethyl chloroformate, 97%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">185892</td>
			<td>Toxic, flammable, harmful to environment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triethylamine (anhydrous)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">471283</td>
			<td>Toxic, flammable, harmful to environment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diethyl ether</td>
			<td>Pharmaco-Aaper</td>
			<td>373ANHACS</td>
			<td>Highly flammable. Purified through XXX column.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3,6-Dimethyl-1,4-dioxane-2,5-dione (D,L-lactide)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">303143</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tin (II) ethylhexanoate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S3252</td>
			<td>Toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#949;-caprolactone (97%)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">704067</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluene, anhydrous</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">244511</td>
			<td>Flammable, toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass syringe</td>
			<td>Hamilton Company</td>
			<td>1700-series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuterated chloroform</td>
			<td>Cambridge Isotopes Laboratories, Inc.</td>
			<td>DLM-29-10</td>
			<td>Toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nuclear magnetic resonance instrument</td>
			<td>Varian</td>
			<td>V400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Palladium on carbon catalyst</td>
			<td>Strem Chemicals, Inc.</td>
			<td>46-1707</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogenator unit</td>
			<td>Parr</td>
			<td align="right">3911</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogenator shaker vessel</td>
			<td>Parr</td>
			<td>66CA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>HY HP300</td>
			<td>Highly flammable.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diatomaceous earth</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">22140</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2H,2H,3H,3H-perflurononanoic acid</td>
			<td>Oakwood Products, Inc.</td>
			<td align="right">10519</td>
			<td>Toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stearic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S4751</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N,N&#8217;-dicyclohexylcarbodiimide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D80002</td>
			<td>Toxic, irritant.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4-(dimethylamino) pyridine</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">107700</td>
			<td>Toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hexanes</td>
			<td>Pharmaco-Aaper</td>
			<td>359000ACS</td>
			<td>Toxic, flammable.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gel permeation chromatography (GPC) system</td>
			<td>Rainin</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GPC column</td>
			<td>Waters</td>
			<td>WAT044228</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Differential scanning calorimeter</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>Q100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloroform</td>
			<td>Pharmaco-Aaper</td>
			<td>309000ACS</td>
			<td>Toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N,N-dimethylformamide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">227056</td>
			<td>Toxic, flammable.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polycaprolactone, MW 70-90 kg/mol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">440744</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(lactide-co-glycolide), MW 136 kg/mol</td>
			<td>Evonik Industries</td>
			<td>LP-712</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10-mL glass syringe</td>
			<td>Hamilton Company</td>
			<td align="right">81620</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>18 AWG blunt needle</td>
			<td>BRICO Medical Supplies</td>
			<td>BN1815</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrospinner enclosure box</td>
			<td>Custom-built</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Made of acrylic panels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High voltage DC supply</td>
			<td>Glassman High Voltage, Inc.</td>
			<td>PS/EL30R01.5</td>
			<td>High voltages, electrocution hazard</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear (translating) stage</td>
			<td>Servo Systems Co.</td>
			<td>LPS-12-20-0.2</td>
			<td>Optional</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Programmable motor &#38; power supply</td>
			<td>Intelligent Motion Systems, Inc.</td>
			<td>MDrive23 Plus</td>
			<td>Optional</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>24V DC motor &#38; power supply</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>6331K32</td>
			<td>Optional</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum collector drum</td>
			<td>Custom-built</td>
			<td></td>
			<td>Optional</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>78-0100I</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverted optical microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IX70</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscope</td>
			<td>Carl Zeiss</td>
			<td>Supra V55</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductive copper tape</td>
			<td>3M</td>
			<td align="right">16072</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum SEM stubs</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td align="right">75200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Contact angle goniometer</td>
			<td>Kruss</td>
			<td>DSA100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Propylene glycol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>W294004</td>
			<td>Toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylene glycol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">324558</td>
			<td>Toxic.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ioxaglate</td>
			<td>Guerbet</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal bovine serum</td>
			<td>American Type Culture Collection</td>
			<td>30-2020</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-computed tomography instrument</td>
			<td>Scanco</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image analysis software (Analyze)</td>
			<td>Mayo Clinic</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tensile tester</td>
			<td>Instron</td>
			<td align="right">5848</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micrometer</td>
			<td>Multitoyo</td>
			<td>293-340</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calipers</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-648-17</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabricating superhydrophobic polymeric materials for biomedical applications

Superhydrophobic materialen, met oppervlakken bezitten permanente of metastabiele niet nat staten, van belang zijn voor een aantal biomedische en industriële toepassingen. Hier beschrijven we hoe elektrospinnen of Electrospraying een polymeer mengsel dat een biologisch afbreekbare, biologisch verenigbare alifatische polyester (bijvoorbeeld polycaprolacton en poly (lactide- co -glycolide)) als de belangrijkste component, gedoteerd met een hydrofoob copolymeer bestaande uit polyester en een stearate- gemodificeerde poly (glycerol carbonaat) levert een superhydrofoob biomateriaal. De vervaardigingstechnieken van electrospinning of electrospraying over een verhoogde oppervlakteruwheid en de porositeit en zich binnen de vezels of deeltjes, respectievelijk. Het gebruik van een lage oppervlakte-energie copolymeer doteringsmiddel dat combineert met de polyester en stabiel kan worden electrospun of electrospray levert deze superhydrophobic materialen. Belangrijke parameters zoals vezelgrootte, copolymeer doteerstof samenstelling en / of concentration, en de effecten daarvan op bevochtigbaarheid worden besproken. Deze combinatie van polymeerchemie en procestechniek verschaft een veelzijdige benadering toepassingsspecifieke materialen te ontwikkelen met behulp schaalbaar technieken, die waarschijnlijk zijn generalizable een bredere klasse polymeren voor diverse toepassingen.

Door middel van een reeks van chemische omzettingen wordt de functionele monomeer carbonaat 5-benzyloxy-1,3-dioxaan-2-on bereid als een witte kristallijne vaste stof (Figuur 1A). 1 H NMR bevestigt de structuur (Figuur 1B) en massaspectrometrie en elementaire analyse bevestigt de samenstelling. Deze vaste stof wordt vervolgens gecopolymeriseerd met ofwel D, L -lactide of ε-caprolacton onder toepassing van een tin-gekatalyseerde ringopeningsreactie bij 140 ° C. Na zu...

Watch this Scientific Journal Video about Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications at JoVE.com

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Two- and three-dimensional superhydrophobic polymeric materials are prepared by electrospinning or electrospraying biodegradable polymers blended with a lower surface energy polymer of similar composition.

Fabriceren superhydrophobic polymere materialen voor biomedische toepassingen

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Organic Chemistry

Bioengineering

Unit 1

Synthetic Polymers

SCIENTISTS IN ACTION

Evaluation of Polymeric Gene Delivery Nanoparticles by Nanoparticle Tracking Analysis and High-throughput Flow Cytometry

Evaluatie van polymere Gene Delivery Nanodeeltjes door Nanodeeltje Tracking Analyse en High-throughput Flow cytometrie

Non-viral gene delivery using polymeric nanoparticles has emerged as an attractive approach for gene therapy to treat genetic diseases1 and as a ...

Graphene Coatings for Biomedical Implants

Grafeen Coatings voor Biomedische implantaten

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with ...

Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

Het ontwerpen van Silk-zijde Protein Alloy materialen voor biomedische toepassingen

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, ...

Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications

Fabricage van mechanisch afstembare en bioactieve Metal Steigers voor biomedische toepassingen

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness ...

Fabricating Cotton Analytical Devices

Fabriceren Cotton Analytical Devices

A robust, low-cost analytical device should be user-friendly, rapid, and affordable. Such devices should also be able to operate with scarce samples and ...

The Synthesis of RGD-functionalized Hydrogels as a Tool for Therapeutic Applications

De synthese van RGD-gefunctionaliseerde Hydrogels als een instrument voor therapeutische toepassingen

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and ...

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

Light-gemedieerde Vorming en patroonvorming van hydrogels voor Cultuur van de Cel Applications

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In ...

Extraction of Plant-based Capsules for Microencapsulation Applications

Extractie van Plant-gebaseerde Capsules voor Micro-inkapseling Applications

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin ...

Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

Rapid Mix Bereiding van Bioinspired Nanoscale hydroxyapatiet voor biomedische toepassingen

Hydroxyapatite (HA) has been widely used as a medical ceramic due to its good biocompatibility and osteoconductivity. Recently there has been interest ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

Electrospinning schrijven van driedimensionale Poly(ε-caprolactone) steigers met controleerbare Morphologies voor Tissue Engineering toepassingen smelten

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...